Passive safety systems of light water SMR plants

Abstract

The goal of the thesis is to present and compare major global light water small modular reactor (SMR) plants and their passive safety systems. The thesis provides theory on SMR plants and their passive safety systems on a general level. Subsequently, it goes into detail regarding the passive safety systems of each design. These SMR designs include CAREM, ACP100, NUWARD, UK SMR, VOYGR and BWRX-300, of which three are integrated pressurised water reactors (iPWRs), one is a loop-type reactor, and one is a boiling water reactor (BWR). Moreover, the thesis introduces future projections regarding the commercial viability and technical aspects of these designs. The thesis is conducted as a literature review primarily based on technical publications.

Results state that the designs have certain similarities such as PWRs opting for an integrated design, larger PWRs relying on forced circulation while smaller SMRs apply natural circulation, and utilisation of control rod driving mechanism (CRDM). Typically, soluble, or injected boron and/or burnable poison systems are used for reactivity control. Ultimately, safety is considered as a main priority in the designs. Future projections for the designs could be affected by the success of the first SMR design achieving criticality. It is also found that political alliances play a vital role in SMR development and commercial possibilities worldwide as well as that safety systems wouldn’t most likely be a deciding factor for global success of the designs. Comparing the designs remains largely theoretical as none of the referenced SMR designs in the thesis are operational.

Tämän työn tavoitteena on esitellä ja vertailla merkittäviä kevytvesipohjaisia pieniä modulaarisia reaktorilaitosprojekteja (SMR) ja niiden passiivisia turvallisuusjärjestelmiä. Työssä käsitellään SMR-laitosten ja passiivisten turvallisuusjärjestelmien teoriaa yleisellä tasolla, minkä jälkeen käsitellään yksityiskohtaisesti jokaisen laitoksen turvallisuutta. Työssä käsiteltäviin SMR-laitoksiin kuuluvat CAREM, ACP100, NUWARD, UK SMR, VOYGR ja BWRX-300, joista kolme ovat integroituja painevesireaktoreita (iPWR), yksi on silmukkamallinen reaktori ja yksi on kiehutusvesireaktori (BWR). Lisäksi työssä pohditaan tulevaisuuden näkymiä kaupallisen elinkelpoisuuden ja teknisten näkökohtien osalta. Työ on toteutettu kirjallisuuskatsauksena ja se perustuu pääasiassa tieteellisiin teknisiin julkaisuihin.

Tulokset osoittavat, että laitossuunnitelmilla on tiettyjä samankaltaisuuksia ja laitosprojekteissa turvallisuudelle on annettu erityistä huomiota. Samankaltaisuuksia ovat esimerkiksi painevesilaitosprojektien suosima integroitu reaktorimalli (iPWR) sekä säätösauvojen ohjausmekanismin (CRDM) ja boorin hyödyntäminen reaktiivisuuden hallinnassa. Työssä havaitaan, että sähköteholtaan suuremmat painevesilaitokset perustuvat pakotettuun kiertoon, kun taas pienemmät SMR:t hyödyntävät luonnonkiertoa. SMR-laitosten tulevaisuuteen vaikuttaa ensimmäisen valmistuvan SMR-laitoksen menestys. Työssä myös havaitaan, että turvallisuusjärjestelmät eivät todennäköisesti olisi määrittäviä tekijöitä reaktoriprojektien globaaleilla markkinoilla menestymiseen, vaan poliittisilla ja taloudellisilla liittoumilla kuten EU:lla on keskeinen rooli laitosten kaupallisissa mahdollisuuksissa ja kehityksessä. Työssä käsiteltyjen laitosten vertailu on pääosin teoreettista, koska yksikään laitosprojekteista ei ole toiminnassa.